ES2817901T3 - Material de intercalación de metal alcalino como electrodo en una celda electrolítica - Google Patents
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Abstract
Una celda secundaria de estado sólido a base de metal alcalino, que comprende: un compartimiento (15, 115) del anolito que comprende un electrodo (20, 120) negativo, en el que el electrodo negativo consiste en un primer material de intercalación de metal alcalino basado en carbono; un compartimiento (25, 125) del catolito que comprende un electrodo (30, 130) positivo, en el que el electrodo positivo consiste en un segundo material de intercalación de metal alcalino que es diferente del primer material de intercalación de metal alcalino; y una membrana (35, 135) sólida electrolítica cerámica conductora de iones de metal alcalino que separa el electrodo negativo del electrodo positivo, en la que el electrodo negativo está en contacto directo con un primer lado de la membrana electrolítica, en la que el electrodo positivo está en contacto directo con un segundo lado de la membrana electrolítica que es sustancialmente opuesto al primer lado, y en el que la membrana electrolítica se selecciona del grupo que consiste en un material cerámico conductor de iones de sodio tipo NaSICON y un material cerámico de iones de litio tipo LiSICON.
Description
DESCRIPCIÓN
Material de intercalación de metal alcalino como electrodo en una celda electrolítica
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a celdas electrolíticas. Más particularmente, la presente invención proporciona una celda electrolítica que incluye una membrana electrolítica sólida conductora de iones alcalinos y al menos un electrodo que incluye un material de intercalación de metal alcalino. En algunos casos, el material de intercalación incluye un metal alcalino seleccionado entre sodio y litio.
Antecedentes de la invención
Se conocen en la técnica celdas electrolíticas que comprenden membranas sólidas electrolíticas conductoras de iones alcalinos que transportan selectivamente iones alcalinos. Al tener una membrana selectiva de iones alcalinos en una celda electrolítica, se permite que los iones alcalinos pasen entre el compartimiento del anolito de la celda y el compartimiento del catolito mientras que otros productos químicos se mantienen en sus compartimientos originales. Por tanto, mediante el uso de una membrana específica de iones alcalinos, se puede diseñar una celda electrolítica para que sea más eficaz y produzca reacciones químicas diferentes de las que se producirían sin la membrana.
Las membranas sólidas electrolíticas conductoras de iones alcalinos se utilizan en celdas electroquímicas por varias razones, que incluyen, pero no se limitan a, por ser conductoras de iones, selectivas de iones, impermeables al agua, químicamente estables, electrónicamente aislantes y por razones similares. A modo de ejemplo, las membranas NaSICON (superconductoras de iones Na) transportan selectivamente cationes de sodio, mientras que las membranas LiSICON (superconductoras de iones Li) transportan selectivamente cationes de litio. Otros ejemplos de membranas sólidas electrolíticas conductoras de iones alcalinos incluyen beta alúmina, vidrios conductores de sodio, etc.
Las celdas electrolíticas que comprenden membranas sólidas conductoras de iones alcalinos se utilizan para producir una amplia variedad de productos químicos diferentes y para realizar diversos procesos químicos. En algunos casos, tales celdas electrolíticas convierten las sales alcalinas en sus ácidos correspondientes. En otros casos, tales celdas electrolíticas también se pueden usar para separar metales alcalinos de sales alcalinas mixtas. Por consiguiente, algunas de estas celdas electrolíticas pueden usarse para purificar metales, tales como sodio, litio, potasio. Las celdas electrolíticas se conocen por los documentos WO2013/109542 o US2013/0004852.
A pesar de su utilidad, las celdas electrolíticas que comprenden membranas sólidas conductoras de iones alcalinos no están necesariamente libres de inconvenientes o desafíos. Por ejemplo, algunas de estas celdas electrolíticas son relativamente ineficaces. Más particularmente, algunas de tales celdas están sujetas a una cantidad relativamente alta de caída de voltaje entre el electrodo del ánodo y el electrodo del cátodo. Además, como algunas de estas celdas electrolíticas pueden generar ácidos de pH bajo en el compartimiento del electrolito y/o bases de pH alto en el compartimiento del catolito a medida que funcionan las celdas, el contenido de dichas celdas puede degradar o dañar la membrana sólida conductora de iones alcalinos, causando así que la celda se vuelva menos eficiente o incluso inoperable.
Por lo tanto, aunque se conocen celdas electrolíticas que comprenden un compartimiento del catolito y un compartimiento del anolito que están separados por una membrana sólida conductora de iones alcalinos, todavía existen desafíos. Por consiguiente, sería una mejora en la técnica aumentar o incluso reemplazar ciertas celdas electrolíticas convencionales con otras celdas electrolíticas.
Breve resumen de la invención
La presente invención se refiere a una batería secundaria de estado sólido basada en un metal alcalino como se divulga en la reivindicación 1.
Los expertos en la técnica apreciarán que a menudo se hace referencia a las baterías recargables por tener electrodos positivo y negativo. Como se usa en todo el presente documento, "electrodo negativo" se puede usar indistintamente con "ánodo", "electrodo positivo" se puede usar indistintamente con "cátodo", "compartimiento de electrodo negativo" se puede utilizar indistintamente con "anolito" y "compartimiento de electrodo positivo". "puede usarse indistintamente con "catolito ".
La celda descrita incluye un compartimiento del anolito que aloja un electrodo negativo, en el que el electrodo negativo incluye un primer material de intercalación de metal alcalino. La celda también incluye un compartimiento del catolito que comprende un electrodo positivo, en el que el electrodo positivo incluye un segundo material de intercalación de metal alcalino que es diferente del primer material de intercalación de metal alcalino. Además, en tales implementaciones, la celda incluye una membrana electrolítica sólida conductora de iones de metal alcalino que separa el electrodo negativo del electrodo positivo, en la que el primer y segundo materiales de intercalación de metales alcalinos están en contacto directo con la membrana electrolítica, y en la que la membrana electrolítica se
selecciona de una membrana electrolítica conductora de iones de sodio y una membrana conductora de iones de litio.
La invención descrita se refiere a una membrana electrolítica sólida conductora de iones de metal alcalino que incluye una primera superficie y una segunda superficie (que es sustancialmente opuesta a la primera superficie), en la que la membrana electrolítica se selecciona de una membrana electrolítica conductora de iones sodio y una membrana conductora de iones litio. En tales implementaciones, un electrodo negativo, que incluye un primer material de intercalación de metal alcalino, se une a la primera superficie.
Estas características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención como se expone a continuación.
Breve descripción de los diversos dibujos
La Figura 1 representa un diagrama esquemático de una celda electrolítica, en el que la celda comprende un electrodo de ánodo que está dispuesto sobre una membrana electrolítica sólida conductora de iones alcalinos;
La Figura 2 representa un diagrama esquemático de la celda, en el que el ánodo está separado de la membrana electrolítica;
La Figura 3 representa un diagrama esquemático de una realización representativa de la celda, en el que el ánodo y un electrodo de cátodo están dispuestos cada uno sobre una superficie opuesta de la membrana electrolítica;
La Figura 4 representa un diagrama esquemático de la celda, en el que el ánodo y el cátodo están dispuestos cada uno separados de la membrana electrolítica;
La Figura 5 representa un diagrama esquemático de una realización representativa de la celda, en el que la celda se usa para generar sodio fundido en su compartimiento del catolito;
La Figura 6 representa un diagrama esquemático de una realización representativa de una celda secundaria basada en metales alcalinos, en el que la celda comprende un electrodo negativo y un electrodo positivo, cada uno de los cuales incluye un material de intercalación de metal alcalino diferente, y en el que la celda está en proceso de descarga;
La Figura 7 representa un diagrama esquemático de una realización representativa de la celda secundaria de la Figura 1, en el que la celda está en proceso de recarga;
La Figura 8 representa un diagrama esquemático de la celda secundaria, en la que la celda comprende un electrodo positivo que está separado de una membrana electrolítica conductora de iones alcalinos, y en el que la celda está en proceso de descarga;
La Figura 9 representa un diagrama esquemático de la celda secundaria, en la que la celda comprende un recubrimiento que está acoplado a la membrana electrolítica de la celda, y en el que la celda está en proceso de descarga;
La Figura 10 representa un diagrama esquemático de una celda secundaria que comprende un electrodo negativo y un electrodo positivo que están separados de la membrana electrolítica, y en el que la membrana electrolítica incluye un recubrimiento de carbono;
La Figura 11 representa un gráfico que ilustra la estabilidad de una capa de recubrimiento de carbono sobre una membrana NaSICON;
La Figura 12 representa un gráfico que ilustra que la presencia del recubrimiento de carbono en la membrana NaSICON no aumenta la resistencia de NaSICON; y
La Figura 13 representa un diagrama esquemático de una celda electrolítica experimental, en el que el electrodo negativo y el electrodo positivo en la celda están separados de la membrana electrolítica, y en el que la membrana electrolítica no incluye el recubrimiento de carbono de la celda en la Figura 10.
Descripción detallada de la invención
La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización", o una expresión similar significa que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención. Por lo tanto, las apariencias de las frases "en una realización", "otra realización" y una expresión similar a lo largo de esta memoria descriptiva pueden, pero no necesariamente, hacer referencia a la misma realización. Además, si bien la siguiente descripción se refiere a varias realizaciones, implementaciones y ejemplos de los diversos componentes y aspectos de la invención descrita, todas las realizaciones, implementaciones y ejemplos descritos deben considerarse, en todos los aspectos, solo como ilustrativos y no como limitantes de ninguna manera.
La presente invención proporciona una celda electrolítica que incluye una membrana electrolítica sólida conductora de iones alcalinos y al menos un electrodo que incluye un material de intercalación de metal alcalino. La celda 10 electrolítica comprende un compartimiento 15 del anolito, que incluye un electrodo 20 de ánodo; un compartimiento 25 de catolito, que comprende un electrodo de cátodo; una membrana 35 electrolítica conductora de iones alcalinos que separa el compartimiento 15 del anolito del compartimiento 25 del catolito; un primer terminal 40; y un segundo terminal 45. Para proporcionar una mejor comprensión de la celda descrita, a continuación se analiza con más detalle una breve descripción de cada uno de los componentes de la celda mostrados en la Figura 1.
Con respecto a los compartimientos 15 del anolito y 25 de catolito, dichos compartimientos pueden tener cualquier forma adecuada y tener cualquier otra característica adecuada que permita que la celda 10 funcione como se pretende. A modo de ejemplo, el compartimiento del anolito y el compartimiento del catolito pueden ser cada uno tubular, rectangular, irregular o puede tener cualquier otra forma adecuada. Además, los dos compartimientos pueden tener cualquier relación espacial adecuada entre sí. Por ejemplo, mientras que la Figura 1 muestra una realización en la que el compartimiento 15 del anolito y el compartimiento 25 de catolito son adyacentes entre sí, en otras realizaciones (no mostradas), un compartimiento (por ejemplo, el compartimiento del anolito) está dispuesto (al menos parcialmente) dentro del otro compartimiento (por ejemplo, el compartimiento del catolito), mientras que los contenidos de los dos compartimientos permanecen separados por la membrana 35 electrolítica conductora de iones alcalinos y cualquier otra pared del compartimiento.
El material de intercalación del ánodo 20 comprende un material que provoca poco o ningún aumento en la resistencia de la membrana 35 electrolítica (discutido a continuación). En otras palabras, en algunas realizaciones, el material de intercalación transporta fácilmente iones alcalinos a través de él y tiene poco o ningún efecto adverso sobre la velocidad a la que los iones alcalinos pasan del compartimiento 15 del anolito al compartimiento 25 del catolito.
El material de intercalación comprende sodio metálico intercalado con un material base, tal como carbono (por ejemplo, grafito, carbono mesoporoso, diamante dopado con boro, carbono y/o grafeno). De hecho, en algunas realizaciones, el ánodo 20 comprende NaxC6 (en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3).
En otras realizaciones, el material de intercalación en el ánodo 20 comprende un metal de litio intercalado en y/o sobre un material base, tal como carbono (por ejemplo, grafito, carbono mesoporoso, diamante dopado con boro, carbono y/o grafeno). De hecho, en algunas realizaciones, el ánodo 20 comprende LixC6 (en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3). Además, aunque el ánodo puede tener cualquier configuración adecuada, en algunas realizaciones, el ánodo comprende un recubrimiento, alambre, fieltro, placa, tubo, malla, espuma y/u otra configuración de ánodo adecuada.
El ánodo 20 está acoplado o dispuesto en un primer lado 50 de la membrana 35 que mira hacia el compartimiento 15 del anolito. Mientras que el material de intercalación del ánodo está dispuesto sobre la membrana electrolítica (por ejemplo, como un recubrimiento) puede proporcionar la celda 10 con varias características, en algunas realizaciones, al disponer el material de intercalación en la membrana electrolítica, los iones alcalinos (por ejemplo, Na+ o Li+) pueden pasar directamente desde el ánodo y a través de la membrana electrolítica (por ejemplo, cuando la corriente pasa entre el ánodo y el cátodo 30) y hacia el compartimiento 25 del catolito.
Cuando el ánodo 20 comprende el material de intercalación, el material de intercalación puede acoplarse a la membrana 35 electrolítica (como se muestra en la Figura 1) o disponerse, acoplarse o formarse como parte del ánodo (como se muestra en la Figura 2) de cualquier manera adecuada. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del ánodo 20 se dispone sobre la membrana electrolítica y/o el ánodo (por ejemplo, un sustrato de ánodo) a través de un método como la deposición química de vapor ("CVD"), la deposición física de vapor ("PVD"), deposición catódica, fundición, deposición por láser pulsado, deposición catódica con magnetrón de CC, moldeo, extrusión y/o cualquier otra técnica adecuada que sea capaz de disponer el material de intercalación del ánodo sobre la membrana electrolítica o que sea capaz de formar el ánodo. Además, aunque el material de intercalación se puede agregar a un sustrato (por ejemplo, el primer lado 50 de la membrana 35 electrolítica, el ánodo 20 y/o un sustrato de ánodo) como una sola capa, en algunas realizaciones, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más capas del material de intercalación se añaden al sustrato para formar el ánodo.
Aunque, en algunas realizaciones, el material de intercalación del ánodo 20 comprende un metal alcalino (por ejemplo, Na o Li) cuando se forma el ánodo (por ejemplo, cuando se dispone el material de intercalación sobre la membrana 35 electrolítica, un sustrato de ánodo, etc.), en otras realizaciones, el material base (por ejemplo, carbono, óxido de níquel, óxido de manganeso, fosfato de hierro, etc.) del material de intercalación se recubre primero sobre el sustrato (por ejemplo, una membrana electrolítica, un sustrato de ánodo, etc.) y luego se carga el metal alcalino en el material base. Si bien esta carga se puede lograr de cualquier manera adecuada, en algunas realizaciones, la carga se logra antes de que el material de intercalación se añada a la celda 10 y/o mientras la celda funciona.
En algunas realizaciones, el material de intercalación del ánodo es tan delgado como una medida seleccionada entre aproximadamente 50 pm, aproximadamente 25 pm, aproximadamente 10 pm, aproximadamente 5 pm y aproximadamente 1 pm. En algunas realizaciones, sin embargo, el material de intercalación del ánodo es tan grueso como una medida seleccionada entre aproximadamente 55 pm, aproximadamente 100 pm, aproximadamente 500 pm, aproximadamente 1 mm, aproximadamente 5 mm y aproximadamente 1 cm. En otras realizaciones más, el grosor del material de intercalación del ánodo se encuentra entre cualquier combinación adecuada o subintervalo de las mediciones antes mencionadas (por ejemplo, entre aproximadamente 250 pm y aproximadamente 520 pm).
Además del ánodo 20, en algunas realizaciones, el compartimiento 15 del anolito comprende una solución 55 del anolito (como se muestra en las Figuras 1 y 2). A este respecto, la solución del anolito puede comprender cualquier producto químico o productos químicos adecuados que permitan que la celda 10 funcione y lleve a cabo una reacción química deseada. Algunos ejemplos de soluciones del anolito adecuadas incluyen, pero no se limitan a, soluciones
acuosas y/o no acuosas que comprenden agua, formamida, metilformamida, dimetilformamida, acetamida, fluoroacetamida, metil acetamida, 1,2-propanodiol, etilenglicol, 1,3-propilenglicol, Na2SO4, NaNO3 , LÍ2SO4, LiNO3, Nal, Na2S, NaCl, Lil, U2S y/o LiCl. De hecho, en algunas realizaciones en las que la membrana 35 electrolítica está configurada para transportar selectivamente iones de sodio, la solución del anolito comprende una solución acuosa de Nal, Na2S, NaCl, Na2SO4 y NaNO3. Por el contrario, en algunas realizaciones en las que la membrana electrolítica está configurada para transportar selectivamente iones de litio, la solución del anolito comprende una solución acuosa de Lil, Li2S o LiCl.
Volviendo ahora a la membrana 35 sólida electrolítica selectiva de iones alcalinos, la celda 10 puede comprender cualquier membrana sólida electrolítica selectiva de iones alcalinos que permita que la celda efectúe una reacción electroquímica deseada. En este sentido, el material de la membrana 35 electrolítica conductora de iones alcalinos puede incluir, entre otros, un separador de electrolitos cerámicos de alúmina p" y un material superconductor de iones de metal alcalino (MeSICON), en el que "Me" representa un metal alcalino . Algunos ejemplos de materiales MeSICON incluyen, entre otros, materiales cerámicos tipo NaSICON (incluido, sin limitación, cualquier material NaSICON novedoso o conocido adecuado) y materiales tipo LiSICON (incluido, entre otros, cualquier material LiSICON novedoso o conocido adecuado). En algunas realizaciones en las que el ánodo 20 comprende un material de intercalación que contiene sodio (por ejemplo, NaxC6, en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3), la membrana electrolítica comprende un material de tipo NaSICON. Por el contrario, en algunas realizaciones en las que el ánodo comprende un material de intercalación que contiene litio (por ejemplo, LixC6), la membrana electrolítica comprende un material de tipo LiSICON.
Con respecto ahora al electrodo 30 del cátodo, la celda 10 puede comprender cualquier material adecuado del cátodo 30 que permita que la celda lleve a cabo cualquier reacción química deseada. Algunos ejemplos de materiales de cátodo adecuados incluyen, pero no se limitan a, un segundo material de intercalación de metal alcalino que está dispuesto en un segundo lado 60 (como se muestra en la Figura 2) de la membrana 35 electrolítica, níquel, aleaciones de acero inoxidable, grafito, carbono, titanio, una aleación ferrosa de níquel cobalto (por ejemplo, una aleación KOVAR®), un electrocatalizador (por ejemplo, platino), un metal fundido (por ejemplo, sodio fundido), otros materiales de cátodo conocidos o nuevos y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, sin embargo, el cátodo comprende un material de intercalación de metal alcalino.
En realizaciones en las que el cátodo 30 comprende un material de intercalación de metal alcalino, el cátodo puede comprender cualquier material de intercalación adecuado que permita que la celda 10 funcione. En algunas realizaciones en las que la membrana 35 electrolítica es selectiva para los iones sodio (por ejemplo, comprende un material de tipo NaSICON), el material de intercalación utilizado en el cátodo 30 comprende sodio intercalado con un material base, tal como carbono (por ejemplo, grafito, carbono mesoporoso, diamante dopado con boro, carbono y/o grafeno), óxido de níquel, óxido de manganeso, fosfato de hierro, etc. En este sentido, algunos ejemplos de materiales adecuados de intercalación de sodio que se pueden usar en el cátodo incluyen, pero no se limitan a, NaxNiO, NaxMnO2 , NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2 (en los que x está entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 1) y/o NaxFey(PO4)z, (en los que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3, y es aproximadamente 1, y z está entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3.
En algunas realizaciones en las que la membrana 35 electrolítica transporta selectivamente litio (por ejemplo, comprende un material de tipo LiSICON), el cátodo 30 comprende un material de intercalación de litio. De hecho, en algunas realizaciones en las que la membrana electrolítica comprende un material selectivo de litio, el cátodo comprende LixNiO, LixMnO2, LixCoO2 , LixMn2O4 (en los que x está entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 1) y/o LixFey(PO4)z (en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3, y es aproximadamente 1 y z está entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3).
El cátodo 30 está acoplado a un segundo lado 60 de la membrana 35 que mira hacia el compartimiento 15 del catolito. En tales realizaciones, la posición del cátodo puede proporcionar a la celda 10 varios beneficios, que pueden incluir, sin limitación, una manera eficiente de operar la celda con una cantidad relativamente pequeña de caída de voltaje entre el ánodo 20 y el cátodo. En algunas otras realizaciones, el cátodo comprende un sustrato (por ejemplo, un sustrato de carbono, un alambre, una malla, una placa, espuma, etc.) que está al menos parcialmente recubierto con el material de intercalación.
Cuando el cátodo 30 comprende el material de intercalación de metal alcalino, el material de intercalación se dispone sobre la membrana 35 electrolítica (como se muestra en la Figura 3). De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del cátodo 20 está dispuesto sobre un sustrato (por ejemplo, el segundo lado 60 de la membrana electrolítica, un sustrato de cátodo (por ejemplo, un sustrato de carbono, un alambre, malla, una placa, espuma, etc.), a través de uno o más de los métodos que se discutieron anteriormente para formar y/o disponer el material de intercalación para el ánodo 20 (por ejemplo, CVD, PVD, deposición catódica, fundición, etc.). Además, cuando el cátodo comprende un recubrimiento del material de intercalación, el material de intercalación se puede depositar sobre un sustrato (por ejemplo, la membrana electrolítica, un sustrato de cátodo, etc.) en cualquier número adecuado de capas, incluyendo, sin limitación, 1, 2, 3, 4, 5 , 6 , 7, 8, 9, 10 o más.
Aunque, en algunas realizaciones en las que el cátodo 30 comprende un material de intercalación, el material de
intercalación incluye un metal alcalino (por ejemplo, Na o Li) cuando el material se deposita sobre un sustrato del compartimiento 25 del catolito (por ejemplo, el segundo lado 60 de la membrana 35 electrolítica, un sustrato de cátodo, etc.), en otras realizaciones, el material base (por ejemplo, óxido de níquel, óxido de manganeso, fosfato de hierro, etc.) del material de intercalación se recubre primero sobre el sustrato y luego se carga el metal alcalino en y/o sobre el material base. Si bien esta carga se puede lograr de cualquier manera adecuada, en algunas realizaciones no limitantes, la carga se produce antes de que se añada el cátodo a la celda 10, antes del funcionamiento de la celda y/o mientras funciona la celda.
Cuando el cátodo 30 comprende un recubrimiento del material de intercalación, el recubrimiento del material de intercalación (por ejemplo, sobre la membrana 35 electrolítica, el sustrato del cátodo, etc.) puede tener cualquier espesor adecuado que permita que la celda 10 funcione. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del cátodo es tan delgado como una medida seleccionada entre aproximadamente 50 pm, aproximadamente 25 pm, aproximadamente 10 pm, aproximadamente 5 pm y aproximadamente 1 pm. En algunas realizaciones, sin embargo, el material de intercalación del cátodo es tan grueso como una medida seleccionada entre aproximadamente 55 pm, aproximadamente 100 pm, aproximadamente 500 pm, aproximadamente 1 mm, aproximadamente 5 mm y aproximadamente 1 cm. En otras realizaciones más, el material de intercalación del cátodo tiene un espesor entre cualquier combinación adecuada o subintervalo de las medidas mencionadas anteriormente (por ejemplo, entre aproximadamente 250 pm y aproximadamente 520 pm o entre aproximadamente 10 pm y aproximadamente 5 mm).
Además del cátodo 30, en algunas realizaciones (como se muestra en la Figura 4), el compartimiento 25 del catolito comprende una solución 65 del catolito (o material del catolito). A este respecto, la solución del catolito puede comprender cualquier producto químico o productos químicos adecuados que permitan que la celda 10 lleve a cabo una reacción química deseada. Algunos ejemplos de materiales adecuados en la solución 65 del catolito incluyen, pero no se limitan a, sodio fundido, hidróxido de sodio, glicerol, agua, metanol, bórax, tetraborato de sodio decahidratado, metaborato de sodio tetrahidrato, silicato de sodio, ácido bórico, borohidruro de sodio, fosfato de sodio, hidrogenofosfato de sodio, glicerol sódico, carbonato de sodio, etileno, propileno, un líquido iónico (por ejemplo, N-metoxietil-N-metil-pirrolidinio, butilmetil-pirrolidinio, propilmetil-pirrolidinio, trietil-sulfonio, dietilmetilsulfonio, etil-dimetilamonio-(trimetilamonio)-dihidroborato, piridinio, pirrolidinio, amonio cuaternario, fosfonio cuaternario, trisulfonio y compuestos de sulfonio, etc.), otro líquido adecuado y cualquier combinación adecuada de los anteriores.
Con referencia ahora a los terminales 40 y 45 (mostrados en la Figura 4), la celda 10 puede comprender cualquier terminal adecuado que sea capaz de conectar eléctricamente la celda con una fuente de alimentación (por ejemplo, la fuente 70 de energía, mostrada en la Figura 4). A este respecto, los terminales pueden comprender cualquier material adecuado y tener cualquier forma y tamaño adecuados. Además, la fuente de alimentación puede ser cualquier fuente de alimentación nueva o conocida que sea capaz de proporcionar una cantidad adecuada de voltaje y corriente entre el ánodo 20 y el cátodo 30 y que, por lo demás, sea adecuada para su uso con una celda electrolítica.
Además de los componentes mencionados anteriormente, la celda 10 puede comprender opcionalmente cualquier otro componente adecuado. En un ejemplo (no mostrado), la celda comprende uno o más canales de salida y/o entrada a uno o más de los compartimientos para permitir que los materiales se añadan y/o retiren de la celda mientras funciona. En otro ejemplo, la Figura 4 muestra una realización en la que la celda 10 comprende opcionalmente un sistema 75 de gestión de temperatura. En tales realizaciones, la celda puede comprender cualquier tipo adecuado de sistema de gestión de temperatura que sea capaz de mantener la celda dentro de un intervalo de temperatura de funcionamiento adecuado. Algunos ejemplos de tales sistemas de gestión de la temperatura incluyen, pero no se limitan a, un calentador, un enfriador, uno o más sensores de temperatura y un circuito de control de temperatura apropiado.
Volviendo ahora a la manera en que funciona la celda 10 descrita, la celda puede funcionar virtualmente de cualquier manera adecuada. En un ejemplo, la Figura 4 ilustra que a medida que la celda 10 funciona y los electrones (e_) fluyen desde el ánodo 20 (por ejemplo, a través del primer terminal 40), un metal alcalino M, tal como Na o Li (por ejemplo, de un material de intercalación de metal alcalino presente en el ánodo) se oxida para formar iones alcalinos (por ejemplo, Na+ o Li+). La Figura 4 muestra que estos iones alcalinos (M+) son luego transportados a través de la membrana 35 electrolítica conductora de iones alcalinos y luego al compartimiento 25 del catolito.
En un ejemplo no limitativo de un método para hacer funcionar la celda 10, la Figura 5 muestra una realización en la que se usa una celda 100 para sintetizar sodio fundido. Si bien dicha celda puede comprender cualquier componente adecuado, la Figura 5 muestra una realización en la que la celda 100 comprende: un ánodo 20 que incluye un compuesto de intercalación de sodio que está dispuesto sobre la primera superficie 50 de la membrana 35 electrolítica (por ejemplo, una membrana de tipo NaSICON); una solución 55 del anolito que incluye un compuesto que contiene sodio (por ejemplo, NaX, en el que X comprende un anión capaz de combinarse con un catión de sodio para formar un compuesto iónico, en el que algunos ejemplos de NaX pueden incluir NaS, Na2S, Nal, NaCl, Na2SO4, NaNO3, etc.); y un cátodo 30 de sodio fundido. La Figura 5 muestra que cuando la celda 100 funciona y la solución que contiene sodio (por ejemplo, NaX) es ionizada por el ánodo 20, los cationes de sodio (por ejemplo, Na+) se transportan selectivamente al compartimiento 25 del catolito en el que se combinan con el cátodo 30 de sodio fundido mientras que el anión (por ejemplo, S', I', Cl-, etc.) forma una sustancia que precipita (por ejemplo, en el caso del azufre) o
burbujas que salen (por ejemplo, en el caso de yodo y cloro).
La celda 10 descrita puede funcionar a cualquier temperatura de funcionamiento adecuada. En otras palabras, cuando la corriente pasa entre el ánodo 20 y el cátodo 30, el ánodo puede tener cualquier temperatura adecuada que permita que la celda funcione. De hecho, en algunas realizaciones en las que un electrodo comprende sodio, la celda funciona a una temperatura de funcionamiento por debajo de aproximadamente 100 °C, y más particularmente por debajo de 97 °C, o por debajo del punto de fusión del sodio. En otras realizaciones en las que un electrodo comprende litio, la celda funciona a una temperatura de funcionamiento por debajo de aproximadamente 200 °C, y más particularmente por debajo de 181 °C, o por debajo del punto de fusión del litio.
Además de las ventajas y características antes mencionadas de la celda 10 descrita, la celda puede tener varias otras características beneficiosas. De hecho, algunas realizaciones de la celda 10 que comprenden un electrodo (por ejemplo, el ánodo 20) que incluye un material de intercalación y que está acoplado a la membrana 35 electrolítica, pueden funcionar de manera más eficiente (por ejemplo, experimentar menos caída de voltaje entre el ánodo y el cátodo 30) luego ocurre en algunas celdas electrolíticas en competencia. Además, algunas realizaciones de la celda que comprenden un electrodo (por ejemplo, un ánodo) que incluyen un material de intercalación pueden ser útiles (como se describió anteriormente) para la síntesis de sodio fundido y/o una amplia variedad de otros compuestos.
En una realización, la celda es una celda secundaria o una batería recargable. Como entienden los expertos en la técnica, las celdas secundarias se pueden descargar y recargar y esta memoria descriptiva describe disposiciones y métodos de celdas para ambos estados. Aunque el término "recarga" en sus diversas formas implica una segunda carga, un experto en la técnica comprenderá que las discusiones sobre la recarga serían válidas y aplicables a la primera carga o carga inicial, y viceversa. Por lo tanto, para los propósitos de esta memoria descriptiva, los términos "recarga", "recargado" y "recargable" serán intercambiables con los términos "carga", "cargado" y "cargable", respectivamente.
Algunas realizaciones divulgadas proporcionan una celda secundaria basada en un metal alcalino que usa un material de intercalación de metal alcalino como su electrodo negativo. Aunque la celda secundaria descrita puede comprender cualquier componente adecuado, la Figura 6 muestra una realización representativa en la que la celda 110 secundaria basada en un metal alcalino comprende un compartimiento 115 del anolito, que incluye un electrodo120 negativo que comprende un primer material de intercalación de metal alcalino; un compartimiento 125 del catolito, que comprende un electrodo 130 positivo, una membrana 135 electrolítica conductora de iones alcalinos que separa el electrodo 120 negativo del electrodo 130 positivo; un primer terminal 140; y un segundo terminal 145. Para proporcionar una mejor comprensión de la celda descrita, a continuación se analiza con más detalle una breve descripción de cada uno de los componentes de la celda mostrados en la Figura 6. Después de esta discusión, se proporciona una breve descripción de cómo se proporcionan algunas realizaciones de la función de la celda.
Volviendo ahora a los diversos componentes de la celda 110, la celda (como se mencionó anteriormente) puede comprender un compartimiento 115 del anolito y un compartimiento 125 del catolito. A este respecto, los dos compartimientos pueden tener cualquier forma adecuada y tener cualquier otra característica adecuada que permite que la celda 110 funcione según lo previsto. A modo de ejemplo, el compartimiento del electrodo negativo y el compartimiento del electrodo positivo pueden ser cada uno tubular, rectangular, irregular o puede tener cualquier otra forma adecuada. Además, los dos compartimientos pueden tener cualquier relación espacial adecuada entre sí. A modo de ejemplo, mientras que la Figura 6 muestra una realización en la que el compartimiento 115 del electrodo negativo y el compartimiento 125 del electrodo positivo están adyacentes entre sí, en otras realizaciones (no mostradas), se dispone un compartimiento (por ejemplo, el compartimiento del electrodo negativo) (al menos parcialmente) dentro del otro compartimiento (por ejemplo, el compartimiento de electrodo positivo), mientras que el contenido de los dos compartimientos permanece separado por la membrana 135 electrolítica conductora de iones alcalinos y cualquier otra pared del compartimiento.
El material de intercalación puede comprender cualquier material que contenga metal alcalino que permita que el electrodo negativo funcione como un electrodo, que también permita que el metal alcalino (por ejemplo, Na o Li) en el electrodo negativo se oxide para formar iones alcalinos (Na+ o Li+) a medida que se descarga la celda, y eso también permite que los iones alcalinos se reduzcan e intercalen con el material de intercalación a medida que se recarga la celda. En algunas realizaciones, el material de intercalación comprende un material que provoca poco o ningún aumento en la resistencia de la membrana electrolítica (discutido a continuación). En otras palabras, en algunas realizaciones, el material de intercalación transporta fácilmente iones alcalinos través suyo y tiene poco o ningún efecto adverso sobre la velocidad a la que los iones alcalinos pasan del compartimiento 115 del electrodo negativo al compartimiento 125 del electrodo positivo.
El material de intercalación en el electrodo 120 negativo comprende sodio metálico intercalado con carbono (por ejemplo, grafito, carbono mesoporoso, diamante dopado con boro, carbono y/o grafeno). De hecho, en algunas realizaciones, el electrodo 120 negativo comprende NaxC6, NaxCo2O4 y/o sodio intercalado en carbono duro, en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3.
En otras realizaciones, el material de intercalación en el electrodo 120 negativo comprende un metal de litio intercalado
en y/o sobre carbono (por ejemplo, grafito, carbono mesoporoso, diamante dopado con boro, carbono y/o grafeno). De hecho, en algunas realizaciones, el electrodo negativo comprende LixC6, en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3.
El electrodo negativo está dispuesto o acoplado a un primer lado 150 (como se muestra en la Figura 6) de la membrana que mira hacia el compartimiento 115 del electrodo negativo. Mientras que el material de intercalación del electrodo negativo está acoplado a la membrana electrolítica, puede proporcionar a la celda 110 varias características, en algunas realizaciones, al hacer que el material de intercalación esté acoplado a la membrana electrolítica, los iones alcalinos (por ejemplo, Na+ o Li+) pueden pasar directamente desde el electrodo negativo y a través de la membrana electrolítica (por ejemplo, cuando se descarga la celda) y directamente desde la membrana electrolítica, de regreso al electrodo negativo (por ejemplo, cuando se recarga la celda).
Cuando el electrodo 120 negativo está acoplado a la membrana 135 electrolítica, el electrodo negativo puede acoplarse a la membrana electrolítica de cualquier manera adecuada. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo 120 negativo se dispone sobre la membrana electrolítica a través de un método tal como deposición química de vapor ("CVD"), deposición física de vapor ("PVD"), deposición catódica, fundición, deposición de láser pulsado, deposición catódica con magnetrón de CC y/o cualquier otra técnica adecuada que sea capaz de acoplar el material de intercalación del electrodo negativo a la membrana electrolítica. Además, mientras que el material de intercalación se puede agregar a la membrana electrolítica como una sola capa, en algunas realizaciones, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más capas del material de intercalación son añadidas al primer lado 50 de la membrana electrolítica.
Aunque, en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo 120 negativo comprende un metal alcalino (por ejemplo, Na o Li) cuando el material está acoplado a la membrana 135 electrolítica, en otras realizaciones, el material base (por ejemplo, carbono) del material de intercalación se recubre primero sobre la membrana electrolítica y luego se carga el metal alcalino en el material base. Si bien esta carga se puede lograr de cualquier manera adecuada, en algunas realizaciones no limitantes, la carga ocurre durante la fabricación del electrodo negativo, antes del funcionamiento de la celda y/o mientras opera la celda.
Cuando el material de intercalación del electrodo 120 negativo está acoplado a la membrana 135 electrolítica, el material de intercalación (como un todo) puede tener cualquier grosor adecuado que permita que la celda 110 funcione. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo negativo es tan delgado como una medida seleccionada entre aproximadamente 50 pm, aproximadamente 25 pm, aproximadamente 10 pm y aproximadamente 5 pm y aproximadamente 1 pm. En algunas realizaciones, sin embargo, el material de intercalación del electrodo negativo es tan grueso como una medida seleccionada entre aproximadamente 55 pm, aproximadamente 100 pm, aproximadamente 500 pm, aproximadamente 1 mm, aproximadamente 5 mm y aproximadamente 1 cm. En otras realizaciones más, el grosor del material de intercalación del electrodo negativo está entre cualquier combinación adecuada o subintervalo de las medidas mencionadas anteriormente (por ejemplo, entre aproximadamente 250 pm y aproximadamente 500 pm).
Además del electrodo 120 negativo, el compartimiento 115 del electrodo negativo comprende además una solución del electrolito negativo. La solución del electrolito negativo puede comprender cualquier producto químico o productos químicos adecuados que permitan que funcione la celda 110.
Como se mencionó anteriormente, la celda 110 también comprende una membrana 135 sólida electrolítica selectiva de iones alcalinos. A este respecto, el material de la membrana 135 electrolítica conductora de iones alcalinos puede incluir, pero no se limita a, un separador electrolítico cerámico de alúmina p", y un material superconductor de iones de metal alcalino (MeSICON), en el que "Me" representa un metal alcalino. Algunos ejemplos de materiales MeSICON incluyen, entre otros, materiales cerámicos de tipo NaSICON (incluyendo, sin limitación, cualquier material NaSICON conocido o novedoso adecuado) y materiales de tipo LiSICON (incluyendo, sin limitación, cualquier material LiSICON conocido o novedoso adecuado). En algunas realizaciones en las que el electrodo 120 negativo comprende un material de intercalación que contiene sodio (por ejemplo, NaxC6, en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3), la membrana electrolítica comprende un material tipo NaSICON. Por el contrario, en algunas realizaciones en las que el electrodo negativo comprende un material de intercalación que contiene litio (por ejemplo, LixC6), la membrana electrolítica comprende un material de tipo LiSICON.
Con respecto ahora al electrodo 130 positivo, la celda 110 puede comprender cualquier electrodo 130 positivo adecuado que permita que la celda se cargue y descargue según lo previsto. Algunos ejemplos de electrodos positivos adecuados incluyen, pero no se limitan a, un segundo material de intercalación de metal alcalino que está acoplado a un segundo lado 155 (como se muestra en la Figura 6) de la membrana 135 electrolítica y un material de electrodo que está separado de la membrana electrolítica.
En realizaciones en las que el electrodo 130 positivo comprende un segundo material de intercalación de metal alcalino que está acoplado al segundo lado 155 de la membrana 135 electrolítica, el electrodo positivo puede comprender cualquier material de intercalación adecuado que permita que la celda funcione y que sea diferente (por ejemplo, tiene un potencial diferente) que el primer material de intercalación que se usa en el electrodo 120 negativo. Por
consiguiente, en algunas realizaciones, la celda descrita 110 comprende una batería recargable de estado sólido.
En algunas realizaciones, en las que el electrodo 120 negativo comprende un material de intercalación de sodio (por ejemplo, NaxC6), el segundo material de intercalación usado en el electrodo 130 positivo también comprende sodio. A este respecto, algunos ejemplos de materiales de intercalación de sodio adecuados que pueden usarse en el electrodo positivo incluyen, pero no se limitan a, NaxNiO, NaxMnO2 , NaxNiO2, NaxAlO2, NaxCoO2 (en los que x está entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 1) y/o NaxFey(PO4)z (en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3, y es aproximadamente 1 y z está entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3). De hecho, en algunas realizaciones en las que el electrodo negativo comprende NaxC6, el electrodo positivo comprende NaxMnO2.
En algunas realizaciones en las que el electrodo 120 negativo comprende un material de intercalación de litio (por ejemplo, LixC6), el electrodo 130 positivo comprende un segundo material de intercalación de litio, que es diferente del primero. De hecho, en algunas realizaciones en las que el electrodo negativo comprende un material de intercalación de litio (por ejemplo, LixC6), el electrodo positivo comprende LixNiO, LixMnO2 , LixCoO2 , LixMn2O4 (en los que x está entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 1) y/o LixFey(PO4)z (en el que x está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3, y es aproximadamente 1 y z está entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3). De hecho, en algunas realizaciones en las que el electrodo negativo comprende LixC6, el electrodo positivo comprende LixMnO2.
Cuando el electrodo 130 positivo comprende el segundo material de intercalación de metal alcalino, y cuando dicho material está acoplado al segundo lado 155 de la membrana 135 electrolítica, el electrodo positivo puede acoplarse a la membrana electrolítica de cualquier manera adecuada. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo 130 positivo se dispone sobre la membrana electrolítica a través de uno o más de los métodos que se utilizan para acoplar el primer material de intercalación del electrodo 120 negativo al primer lado 150 de la membrana electrolítica (por ejemplo, a través de CVD, PVD, deposición catódica, fundición, etc.). Además, el segundo material de intercalación se puede depositar en el segundo lado de la membrana electrolítica en cualquier número adecuado de capas, incluyendo, sin limitación, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más.
Aunque en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo 130 positivo comprende un metal alcalino (por ejemplo, Na o Li) cuando el material se acopla al segundo lado 155 de la membrana 135 electrolítica, en otras realizaciones, el material base (por ejemplo, óxido de níquel, óxido de manganeso, fosfato de hierro, etc.) del segundo material de intercalación se recubre primero sobre la membrana electrolítica y luego se carga el metal alcalino en y/o sobre el material base. Si bien esta carga se puede lograr de cualquier manera adecuada, en algunas realizaciones no limitantes, la carga se produce durante la fabricación del electrodo positivo, antes del funcionamiento de la celda y/o cuando la celda funciona.
Cuando el segundo material de intercalación del electrodo 130 positivo está acoplado a la membrana 135 electrolítica, el segundo material de intercalación puede tener cualquier grosor adecuado que permita que la celda 110 funcione. De hecho, en algunas realizaciones, el material de intercalación del electrodo positivo es tan delgado como una medida seleccionada entre aproximadamente 50 pm, aproximadamente 25 pm, aproximadamente 10 pm y aproximadamente 5 pm y aproximadamente 1 pm. En algunas realizaciones, sin embargo, el material de intercalación del electrodo positivo es tan grueso como una medida seleccionada entre aproximadamente 55 pm, aproximadamente 100 pm, aproximadamente 500 pm, aproximadamente 1 mm y aproximadamente 5 mm y aproximadamente 1 cm. En otras realizaciones más, el segundo material de intercalación del electrodo positivo tiene un grosor entre cualquier combinación adecuada o subintervalo de las mediciones antes mencionadas (por ejemplo, entre aproximadamente 250 pm y aproximadamente 500 pm o entre aproximadamente 10 pm y aproximadamente 5 mm).
En algunas realizaciones, en lugar de usar un segundo material de intercalación de metal alcalino como electrodo 130 positivo, la celda descrita puede comprender virtualmente cualquier otro material de electrodo positivo conocido o novedoso que permita que la batería se descargue y cargue. De hecho, en algunas realizaciones, el electrodo positivo comprende un alambre, fieltro, placa, tubo, malla, espuma y/u otra configuración adecuada de electrodo positivo en la que el electrodo positivo está separado de la membrana 135 electrolítica. Además, en algunas realizaciones, el electrodo positivo comprende un material seleccionado entre, pero no limitado a, una espuma de níquel, un compuesto de sodio que no se funde a la temperatura de funcionamiento de la celda (que incluye, sin limitación, un material de sodio/azufre), hidróxido de níquel (Ni(OH)2) (por ejemplo, cuando la celda está al menos parcialmente descargada), oxihidróxido de níquel (NiOOH) (por ejemplo, cuando la celda está al menos parcialmente cargada) y/u otro material adecuado.
El electrolito positivo puede comprender cualquier material conductor de iones alcalinos adecuado que permita que la celda 110 funcione como se pretende. Algunos ejemplos de materiales adecuados en la solución 152 del electrolito positivo incluyen, pero no se limitan a, hidróxido de sodio, glicerol, agua, bórax, tetraborato de sodio decahidratado, metaborato de sodio tetrahidrato, silicato de sodio, ácido bórico, borohidruro de sodio, fosfato de sodio, fosfato hidrógeno de sodio, glicerol sódico, carbonato de sodio, etileno, propileno, un líquido iónico (por ejemplo, N-metoxietil-N-metil-pirrolidinio, butilmetil-pirrolidinio, propilmetil-pirrolidinio, trietil-sulfonio, dietilmetilsulfonio, etil-dimetil-amonio (trimetil-amonio)-dihidroborato, piridinio, pirrolidinio, amonio cuaternario, compuestos de fosfonio cuaternario, trisulfonio y sulfonio, etc.), otro líquido adecuado y cualquier combinación adecuada de los anteriores.
Con referencia ahora a los terminales 140 y 145 (mostrados en la Figura 8), la celda 10 puede comprender cualquier terminal adecuado que sea capaz de conectar eléctricamente la celda con un circuito externo, incluyendo, sin limitación, a una o más de otras celdas. A este respecto, los terminales pueden comprender cualquier material adecuado y cualquier forma adecuada de cualquier tamaño adecuado.
Además de los componentes mencionados anteriormente, la celda 110 puede comprender opcionalmente cualquier otro componente adecuado. A modo de ilustración no limitativa, la Figura 8 muestra una realización en la que la celda 110 comprende opcionalmente un sistema 160 de gestión de temperatura. En tales realizaciones, la celda puede comprender cualquier tipo adecuado de sistema de gestión de temperatura que sea capaz de mantener la celda dentro de un intervalo adecuado de temperatura de funcionamiento. Algunos ejemplos de tales sistemas de gestión de la temperatura incluyen, pero no se limitan a, un calentador, un enfriador, uno o más sensores de temperatura y un circuito de control de temperatura apropiado.
Volviendo ahora a la manera en que funciona la celda 110 secundaria descrita, la celda puede funcionar virtualmente de cualquier manera adecuada. En un ejemplo, la Figura 6 ilustra que cuando la celda 110 se descarga y los electrones (e-) fluyen desde el electrodo 120 negativo (por ejemplo, a través del primer terminal 140), un metal alcalino M, como Na o Li, en el electrodo negativo se oxida para formar iones alcalinos (por ejemplo, Na+ o Li+). La Figura 6 muestra que estos iones alcalinos (M+) son transportados desde el electrodo 120 negativo, a través de la membrana 135 electrolítica conductora de iones alcalinos, y luego al compartimiento 125 del electrodo positivo (por ejemplo, al electrodo 130 positivo y/o a la solución 152 del electrolito positivo). Por ejemplo, en algunas realizaciones en las que la celda comprende un electrodo negativo que comprende NaxC6 y un electrodo positivo que comprende NaxMnO2 , el electrodo negativo proporciona iones sodio al electrodo positivo a medida que la celda se descarga.
En un ejemplo contrastante, la Figura 7 muestra que cuando la celda 110 secundaria descrita se recarga y los electrones (e-) fluyen hacia el electrodo 120 negativo (por ejemplo, a través del primer terminal 140) desde una fuente de alimentación externa (no se muestra), como un recargador, las reacciones químicas que ocurrieron cuando la celda se descargó (como se muestra en la Figura 6) se invierten. Específicamente, la Figura 7 muestra que a medida que se recarga la celda 110, los iones alcalinos (Na+ o Li+) se transportan desde el compartimiento 125 del electrodo positivo (por ejemplo, desde el electrodo 130 positivo), a través de la membrana 135 electrolítica conductora de iones alcalinos, y hasta el electrodo 120 negativo, donde los iones alcalinos se reducen y se intercalan de nuevo en o sobre el electrodo 120 negativo. Por ejemplo, en algunas realizaciones en las que la celda comprende un electrodo negativo que comprende NaxC6 y un electrodo positivo que comprende NaxMnO2 , el electrodo positivo proporciona iones sodio al electrodo negativo a medida que la celda se recarga.
En un ejemplo no limitativo, la semirreacción del electrodo 30 positivo para la celda 110 (con la carga hacia adelante) es: LiCoO2 ^ Lh-nCoO2 + nLi+ ne-, en la que la semirreacción del electrodo 120 negativo es nLi+ ne C ^ LinC .
La celda 110 descrita puede funcionar a cualquier temperatura de funcionamiento adecuada. En otras palabras, a medida que la celda se descarga y/o recarga, el electrodo 120 negativo puede tener cualquier temperatura adecuada que le permita permanecer sólido. De hecho, en algunas realizaciones en las que un electrodo comprende sodio, la celda funciona a una temperatura de funcionamiento por debajo de aproximadamente 100 °C, y más particularmente por debajo de 97 °C, o por debajo del punto de fusión del sodio. En otras realizaciones en las que un electrodo comprende litio, la celda funciona a una temperatura de funcionamiento por debajo de aproximadamente 200 °C, y más particularmente por debajo de 181 °C, o por debajo del punto de fusión del litio.
Además de las ventajas y características mencionadas anteriormente de la celda 10 descrita, la celda puede tener varias otras características beneficiosas. En un ejemplo, como el electrodo 120 negativo comprende un material de intercalación de metal alcalino (por ejemplo, NaxC6 o LixC6) que es sólido mientras funciona la celda, algunas realizaciones de la celda funcionan a temperaturas relativamente bajas. Como resultado, tales realizaciones de la celda pueden requerir poca o ninguna energía para calentar y/o disipar el calor de la celda mientras la celda funciona. Además, debido a que la celda puede funcionar a una temperatura más baja que ciertas baterías recargables convencionales que comprenden un electrodo negativo fundido, la celda puede ser menos peligrosa de usar o manipular. En otro ejemplo más, debido a que algunas realizaciones de la celda pueden recargarse varias veces, no liberan productos químicos peligrosos mientras funciona y requieren menos energía térmica que algunas baterías convencionales, tales realizaciones de la celda pueden ser relativamente respetuosas con el medio ambiente.
Los siguientes ejemplos se dan para ilustrar la funcionalidad de la membrana 35 electrolítica cuando la membrana está recubierta con una capa de carbono, que puede servir (o modificarse para servir) como material de intercalación. Estos ejemplos se dan sólo a modo de ilustración, y se entiende que los siguientes ejemplos no son completos ni exhaustivos de los muchos tipos de realizaciones de la presente invención que pueden prepararse de acuerdo con la presente invención.
Ejemplo 1
En este ejemplo, se construyó una celda 200 electrolítica (por ejemplo, una batería recargable) para incluir componentes similares a los de la Figura 10. Específicamente, la celda 10 se construyó para incluir un compartimiento
205 del anolito que aloja un ánodo 210 de alambre de níquel que está en contacto con la solución 215 del electrolito negativo que contiene etilenglicol y NaI a una concentración del 38%, en peso. Además, la celda se construyó para incluir un compartimiento 220 del cátodo que aloja un cátodo 225 de oxihidróxido de níquel dispuesto en una solución 230 del electrolito positivo que comprende una solución acuosa que incluye bórax a una concentración del 30%, en peso. Además, la Figura 10 muestra que la celda 200 comprende además una membrana 235 NaSICON que comprende una capa 240 de carbono frente al cátodo 225. Además, la Figura 10 muestra que la celda 200 incluye un primer terminal 245, un segundo terminal 250 y una referencia 255 de platino.
El gráfico de la Figura 11 muestra que cuando la celda 200 se cargó y descargó a 90 °C durante un período de tres semanas, la capa 240 de carbono mantuvo sustancialmente su estabilidad en la solución 230 de bórax.
La Figura 12 muestra además que cuando se comparó el funcionamiento de la celda 200 de la Figura 10 (mediante espectroscopia de impedancia electroquímica, "ElS") con la celda 300 de la Figura 13 (que tiene la misma configuración de la celda 200 en la Figura 10) , pero carece de la capa 240 de carbono), la celda 200 de la Figura 10 con la capa 240 de carbono no tenía una resistencia mayor que la celda 300 de la Figura 13, que carecía de la capa de carbono. En este sentido, la línea 305 representa las medidas de EIS del electrodo en la celda 300 con NaSICON 235 sin recubrimiento, la línea 310 representa las medidas de EIS del electrodo y la membrana 235 en la celda 300 con NaSICON 235 sin recubrimiento, la línea 315 representa las mediciones de EIS del electrodo en la celda 200 con la NaSICON 235 recubierta, y la línea 320 representa las mediciones de EIS del electrodo y la membrana 235 en la celda 200 con la NaSICON sin recubrimiento. Por consiguiente, la Figura 12 muestra que, contrariamente a lo esperado, el recubrimiento 240 de carbono en la celda 200 tuvo poco o ningún efecto adverso sobre la función de la celda. En consecuencia, se teoriza que un electrodo (por ejemplo, un ánodo 20 y/o cátodo 30) que comprende un material de intercalación de metal alcalino que tiene un material base (por ejemplo, carbono) tendrá poco o ningún efecto adverso sobre la función de la celda.
Claims (5)
1. Una celda secundaria de estado sólido a base de metal alcalino, que comprende:
un compartimiento (15, 115) del anolito que comprende un electrodo (20, 120) negativo, en el que el electrodo negativo consiste en un primer material de intercalación de metal alcalino basado en carbono;
un compartimiento (25, 125) del catolito que comprende un electrodo (30, 130) positivo, en el que el electrodo positivo consiste en un segundo material de intercalación de metal alcalino que es diferente del primer material de intercalación de metal alcalino; y
una membrana (35, 135) sólida electrolítica cerámica conductora de iones de metal alcalino que separa el electrodo negativo del electrodo positivo, en la que el electrodo negativo está en contacto directo con un primer lado de la membrana electrolítica, en la que el electrodo positivo está en contacto directo con un segundo lado de la membrana electrolítica que es sustancialmente opuesto al primer lado, y en el que la membrana electrolítica se selecciona del grupo que consiste en un material cerámico conductor de iones de sodio tipo NaSICON y un material cerámico de iones de litio tipo LiSICON.
2. La celda secundaria de la reivindicación 1,
en la que el segundo material de intercalación de metal alcalino se selecciona de NaxNiO, NaxMnO2 , NaxNiO2, NaxAlO2 , NaxCoO2 y NaxFePO4 , en la que 0,2 < x < 1.
3. La celda secundaria de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el primer material de intercalación de metal alcalino comprende NaxC6, en la que x < 3.
4. La celda secundaria de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el primer material de intercalación de metal alcalino comprende LixC6, en la que x < 3.
5. La celda secundaria de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además una capa de carbono dispuesta en el segundo lado de la membrana electrolítica, opuesta al primer lado.
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